Come temprare il ferro

Il ferro è uno dei metalli più essenziali e iconici sulla terra. Da edifici, infrastrutture, recipienti per l’acqua, automobili, macchinari, elettrodomestici a semplici utensili come forchette e cucchiai, le sue applicazioni sembrano non avere limiti.

Ciò è dovuto alle numerose proprietà del ferro. Una di queste proprietà è la durezza, la capacità di un materiale di resistere alla deformazione indotta da impatto o abrasione. Tuttavia, la durezza naturale del ferro non è sempre sufficiente per applicazioni ingegneristiche specifiche, come strutture portanti e parti di motori.

Questo è il motivo per cui sono stati sviluppati metodi per aumentare significativamente la durezza insieme ad altre proprietà del ferro. Questi metodi vanno sotto la definizione di tempra.

A cosa serve la tempra?

La tempra è un trattamento termico che consiste nel riscaldare il metallo a una temperatura in cui il carbonio si dissolve nel materiale, quindi raffreddarlo rapidamente per mantenere questa struttura a temperatura ambiente.

Il trattamento termico del metallo può essere necessario per:

• conferire una maggiore durezza;
• migliorare la sua plasticità, necessaria durante la lavorazione per deformazione plastica.

La tempra del ferro viene solitamente eseguita sui prodotti finiti e non sulle materie prime. Questo perché, innanzitutto, non è economico indurire un intero blocco di acciaio, poiché una grande percentuale verrà rimossa durante il processo di lavorazione. Inoltre, l’acciaio temprato è molto più difficile da lavorare, poiché la durezza del pezzo rende più difficile la penetrazione dell’utensile.

Metodi di tempra del ferro

Esistono vari metodi per eseguire la tempra dell’acciaio. Questi metodi possono essere termici, meccanici, chimici o una combinazione di due o più di questi.

I processi di tempra termica sono i metodi di tempra dell’acciaio più comuni. In genere coinvolgono tre fasi primarie, che sono il riscaldamento dell’acciaio, il suo mantenimento a una temperatura particolare e il raffreddamento.

La prima fase generalmente prevede il riscaldamento del metallo a una temperatura molto elevata da indurre modifiche strutturali all’interno. Questo rende anche più facile lavorare sul metallo per cambiarne la forma. Di seguito sono elencati i vari metodi di tempra del ferro.

Lavorazione a freddo

La lavorazione a freddo altera le proprietà del ferro. Questo metodo di tempra dell’acciaio è semplicemente la deformazione di un metallo a una temperatura inferiore al suo punto di fusione. Il ferro diventa più resistente e durevole, mentre la plasticità e la capacità di deformazione del materiale diminuiscono. Sebbene circa il 90% dell’energia durante la lavorazione a freddo venga dissipata sotto forma di calore, il resto viene immagazzinato nel reticolo cristallino, aumentando così la sua energia interna.

Indurimento con lega in soluzione solida

L’indurimento in soluzione è l’aggiunta di un elemento di lega al metallo di base per creare una soluzione solida. Dopo la solidificazione, il metallo si indurisce a causa della presenza degli atomi di lega nel reticolo cristallino del metallo base. La differenza di dimensione tra gli atomi del soluto e del solvente influisce sull’efficacia della soluzione solida. Se l’atomo di soluto è più grande dell’atomo di solvente, si verificano campi di deformazione di compressione. D’altra parte, se l’atomo del solvente è più grande degli atomi del soluto, si verificano campi di deformazione a trazione. Gli atomi di soluto che distorcono il reticolo in una struttura tetragonale causano un rapido indurimento.

Tempra e rinvenimento

Nella tempra, detta anche trasformazione martensitica, l’acciaio viene riscaldato al di sopra della temperatura critica nell’intervallo dell’austenite, mantenuto a questa temperatura e quindi rapidamente raffreddato o, più spesso, raffreddato in acqua, olio o sale fuso. La tempra determina la trasformazione martensitica, che indurisce notevolmente il ferro. L’acciaio temprato è, tuttavia, molto fragile. Pertanto, è necessario eseguire il rinvenimento per alleviare le sollecitazioni interne e ridurre la fragilità. La massima durezza è ottenibile quando la velocità di raffreddamento nella tempra è sufficientemente rapida da garantire la completa trasformazione della martensite.